江阴长江大跨越铁塔构件和节点设计

蔡 钧，杨元春，左元龙

(华东电力设计院有限公司，上海 200001)

1 概述

500 kV江阴长江大跨越工程是由世界银行贷款的国家重点项目，江苏省北电南送的重要输电通道，其耐张段全长为3703 m，按“耐张－直线－直线－耐张”布置，档距 为“700 m－2303 m－700 m”， 由 两基总高346.5 m的双回路跨越塔和四基高度为55 m的单回路干字型耐张塔组成，采用4×AASCR－500导线、AC－360地线和OPGW－350光缆。该工程的跨越塔高度当时位居世界第一，跨越长度位居国内第一。江阴大跨越至今仍是世界上最高的格构式结构(组合角钢)输电铁塔。

由于江阴大跨越铁塔的构件内力特别大，设计时比较了国内大跨越设计的结构型式，吸取了国外大跨越设计的经验，同时也参考了高层钢结构建筑和大型桥梁的设计风格，提出采用厚板焊接十字柱作为铁塔主要受力构件的大胆设想。并通过理论论证、模型试验和焊接试验，解决了结构设计中可能出现的各种技术难题，证明采用厚板焊接十字柱的设想是完全可行的，也为特大跨越塔的设计提供了新材料、新技术和新经验的借鉴。跨越塔主要构件根据内力不同，分别采用十字柱组成的格构式箱形构件、单角钢组合成的箱型构件、四拼十字型实腹式构件及双拼“T”型断面构件等。铁塔的构件设计依据的是当时有效的中国钢结构规范,构件连接和节点设计采用的是欧盟标准。本文着重阐述其构件及连接和主要节点的构造设计，希望能够为今后特大型钢跨越塔的设计计算起到一定的参考借鉴作用。

2 主要杆件型式

江阴大跨越的跨越塔是采用格构式组合断面结构的型钢塔(见表1)，整体变形和构件内力计算采用国标《钢结构设计规范》(GBJ 17－88)；全塔分成三个坡度段，变坡位置分别在120 m和286 m标高处。 0～120 m标高的塔身主材采用的是65 mm厚钢板焊成十字柱组合成的箱型构件，断面尺寸为1200 mm ×1200 mm；120～286 m标高的塔身主材采用的是60 mm～25 mm厚钢板焊成十字柱组合成的箱型构件,断面尺寸为800 mm ×800 mm；286 m以上塔头结构考虑到塔头的鞭稍效应和导地线振动比较严重，全部采用螺栓连接，塔身主材采用由四个角钢组成的十字断面，横担和塔身斜材均采用2根角钢拼成的“T”型断面。0～120 m和120～286 m标高的塔身斜材均采用单角钢组合成的箱型构件,断面尺寸为400 mm～1200 mm。120 m标高处既是塔身变坡位置，又是主材断面尺寸突变的大节点，构件厚度达到65 mm至100 mm，构造非常复杂，单件重量高达17 t多。跨越塔主要断面型式的典型示例见表1。

表1 主要构件型式

3 连接处螺栓的计算

3.1 受剪螺栓长节点的判断及计算

因跨越塔内力较大，构件与构件用板和螺栓连接时,节点长度也较长，螺栓将会出现不均匀受力情况，为防止长节点螺栓受力时发生“解扣”式破坏，按照欧洲钢结构设计规范Eurocode 3：Design of Steel Structures—Part 1－8：design of joints [EN 1993－1－8：2005E] ，需考虑长节点螺栓强度的折减问题。该标准的3.8(1)条规定：如果连接板螺栓群同一受力方向相距最远两个螺栓之间的距离Lj大于15d(d为螺栓直径)时，需在计算螺栓剪力时乘一个折减系数βLf。

βLf的计算值应小于1，当计算值小于0.75时，应取0.75。

3.2 螺栓的受剪承载力

按照欧洲钢结构设计规范Eurocode 3：Design of Steel Structures—Part 1－8：design of joints [EN 1993－1－8：2005E] ，对于8.8级螺栓，受剪承载力为：

式中：A为螺栓的实际抗剪面积；γM2安全分项系数，按照文献[2]的2.2条，取1.25；fub单个螺栓的极限抗剪强度。

如果属于长节点，即Lj＞15d，则按照文献[2]的第3.8(1)条规定，上述计算的受剪承载力必需乘以降低系数βLf。

3.3 螺栓的孔壁承压

按照欧洲钢结构设计规范Eurocode 3：Design of Steel Structures—Part 1－8：design of joints [EN 1993－1－8：2005E] ，螺栓的孔壁承压承载力：

式中：fu为螺栓的孔壁承压强度；d为螺栓直径；t为连接件厚度；αb取公式(4)中三个数值中最小值，其中αd为折减系数，按端部螺栓考虑，即αd取e1/3d0，e1为螺栓端距，d0为螺栓孔径。

4 实腹式构件的计算

塔身主材之间通常采用内包角钢外贴板的连接型式,并按双剪或四剪计算。本工程的塔身主材规格均较大,除按中国规范方法进行接头计算外，还按照欧洲钢结构规范Eurocode 3：Design of Steel Structures—Part 1－ 1：General rules and rules for buildings [EN 1993－1－1：2005E] 的规定对构件的连接进行了详细计算。

4.1 连接断面的抗拉强度承载力

文献[3]的6.2.3节，连接断面所承受的拉力NEd≤Nt,Rd。

Nt,Rd为承载力，取下列两种情况计算值的较小值：

(1)连接断面毛面积的塑性承载力

式中：A为连接断面毛面积；fy为屈服应力；γM0为塑性承载力分项系数，文献[3]的6.1 节γM0=1.0。

(2)连接断面净面积的极限承载力

式中：Anet为连接断面净面积；fu为极限抗拉强度；γM2为抗拉承载力分项系数，文献[3]的6.1节γM2=1.25。

4.2 构件的抗压曲屈承载力

文献[3]的6.3.1节，构件所承受的压力NEd≤Nb,Rd。

Nb,Rd为压屈承载力：

式中：γM1为压屈承载力分项系数，按照文献[3]的6.1节第(1)条，γM1=1.0；χ为压屈降低系数，根据文献[3]的6.3.1.3节，判断构件类别；按照正则化长细比，选取压屈降低系数χ；正则化长细比见公式(8)。

5 120 m大节点的构造和计算

120 m节点(图1)位于塔身的主要变坡位置，上下构件的断面尺寸分别为800 mm×800 mm和1200 mm×1200 mm，断面尺寸相差较大，而且设计压力高达69469 kN，所以，成为特别关注的节点。为了将上部主材的内力可靠地传递给下部结构，研究设计了图1所示的构造型式：在节点中央设计一个板厚100 mm随塔身坡度一起弯折的正交十字形部件，四条角边呈阶梯状，分别与上下错开的十字柱焊接，四面用钢板封闭，形成整体刚度很大的几何不变体。中心十字柱将上下相互错开的十字柱连成一体，满足了主材、斜材、水平材和横隔材之间内力传递的要求。120 m标高处单个节点的重有17 t多。

图1 120 m处大节点

5.1 十字柱连板的抗弯计算

对于中心正交十字形连扳，因其既承受剪力又承受弯距，文献[3]的6.2.8节，认为剪力的存在将降低板的弯距承载力，但当剪力较小时可忽略这种影响；当板承受的剪力VEd超过板的塑性剪力承载力Vpl,Rd的一半时，板的抵抗弯距应按式(9)计算：

并且应满足：

式中：My,c,Rd为截面的设计抵抗弯距，按文献[3]的6.2.5(2)，；Wpl为截面抵抗距，；ρ为截面的屈服强度折减系数，，；AW=AV为受剪面积，。

5.2 十字柱连板的抗拉计算

连接所承受的拉力：

式中：Nt,Rd为承载力；A为连接断面毛面积；fy为屈服应力；γM0为承载力分项系数；文献 [3]的 6.1节 ；γM0=1.0。

6 双层塔脚板的构造要求

江阴大跨越塔的基础下压和上拔作用力分别达到71000 kN和53000 kN，如果按《架空送电线路杆塔结构设计规定》DL/T5154－2002，单板方案设计，采用Q345钢材时，塔脚板的厚度也要达到130 mm。如此厚的钢板，当厚度方向作用几万千牛的拉力荷载时非常容易出现层状撕裂，对铁塔安全极为不利。经过研究，决定改变传统的设计思想，采用了双层底板的结构型式。

双层底板能将单层底板厚度方向的拉应力转化成剪应力，消除了产生层状撕裂的机理，保证了铁塔结构的可靠性。大节点和塔脚板都是焊接结构，考虑到跨越塔结构具有一定的疲劳特性，所有主要受力焊缝均按美国钢结构焊接规范Structural Welding Code Steel[AWS D1.1：2000 An American National Standard]规定的周期荷载的要求进行超声波检查。

7 结论

(1)双拼“T”型断面、四拼十字型实腹式、单角钢组合成的箱型构件以及用厚板焊接十字柱组成的格构式型钢结构，是输电铁塔一种安全实用的结构形式。

(2)为了将非常大的上部主材的内力可靠地传递给下部结构，可采用一个随塔身坡度一起弯折的正交十字形几何不变体，分别与上下错开的十字柱焊接，以满足主材、斜材、水平材和横隔材之间内力传递的要求。

(3)板的厚度方向作用的拉力较大时，非常容易出现层状撕裂，可采用双层板的结构型式。